Summary
Ett protokoll för driften av en kraftkälla med hög energi, optisk parametrisk chirped pulsförstärkarepump baserat på en regenerativ förstärkare Yb: YAG-skiva, presenteras här.
Abstract
Detta är en rapport om en regenerativ förstärkare på 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. En hemlagad Yb: YAG tunndisk, Kerr-objektivslåst oscillator med nyckelfärdig prestanda och puls energi på mikrojulnivå används för att fröja den regenerativa chirped-pulsförstärkaren. Förstärkaren är placerad i lufttät hus. Den arbetar vid rumstemperatur och uppvisar stabil drift vid en 5 kHz upprepningshastighet, med en puls-till-pulsstabilitet mindre än 1%. Genom att använda en 1,5 mm tjock beta-bariumboratkristall dubblas laserproduktens frekvens till 515 nm med en genomsnittlig effekt på 70 W vilket motsvarar en optisk-optisk effektivitet på 70%. Denna överlägsna prestanda gör systemet till en attraktiv pumpkälla för optiska parametriska chirped-pulsförstärkare i det nära infraröda och mittinfraröda spektralområdet. Kombinationen av nyckelfärdiga prestanda och överlägsen stabilitet hos den regenerativa förstärkaren underlättar systemet generering av ett bredband, CEP-stabiltutsäde. Att tillhandahålla utsädet och pumpen för den optiska parametriska chirped-pulsförstärkningen (OPCPA) från en laserkälla eliminerar efterfrågan av aktiv tidssynkronisering mellan dessa pulser. Detta arbete presenterar en detaljerad guide för att konfigurera och driva en regenerativ förstärkare av Yb: YAG-tunnskiva, baserad på CPA, som en pumpkälla för en optisk parametrisk chirped-pulsförstärkare.
Introduction
Genereringen av hög-energi, få-cykellaserpulser med hög repetitionshastighet är av stor intresse för tillämpade fält, såsom attosekundvetenskap 1 , 2 , 3 , 4 och högfysikfysik 5 , 6 som står för direkt nytta Från tillgången på sådana källor. OPCPA representerar den mest lovande vägen för att uppnå högpuls energier och stora förstärkningsbandbredd som samtidigt stöder fåcykelpulser 1 . Hittills tillåter OPCPA ultra-bredbandsförstärkning, vilket genererar få cykelpulser 7 , 8 , 9 , 10 . Ett modifierat genomförande av OPCPA-systemet, som använder korta pumppulser på picosecond-skalaen, innehar dock ett lov förVilket gör detta tillvägagångssätt skalbart för ännu högre pulsenergier och medelkrafter i fåcykelregimen 1 , 11 , 12 . På grund av den höga pumpintensiteten i kortpulspumpad OPCPA möjliggör den höga single-pass-förstärkningen användningen av mycket tunna kristaller för att stödja stora förstärkningsbandbredd. Även om den kortpulserade OPCPA har många fördelar, är realiseringen av detta tillvägagångssätt beroende av tillgången till lasrar som är skräddarsydda för detta ändamål. Sådana pumplaser erfordras för att leverera hög energi-picosekundpulser med nära diffraktionsbegränsad strålekvalitet vid repetitionshastigheter i kHz till MHz-området 13 , 14 , 15 .
Introduktionen av ytterbiumdopade lasrar i olika geometrier, som kan leverera picosekundlaserpulser med hög energi och hög medelkraft, Håller på att ändra nuvarande tillstånd i fältet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god värmeledningsförmåga och lång livslängd på övre delstater, och den kan pumpas av kostnadseffektiva diodlasrar. Dess prestanda när den används i tunnskivsmetri är enastående på grund av effektiv kylning av förstärkningsmediet för att samtidigt skala topp och medelkraft. Vidare undertrycks förekomsten av självfokusering i förstärkningsmediet under amplifieringsprocessen på grund av smalheten hos tunnskivan i jämförelse med andra förstärkningsmetallgeometrier, vilket resulterar i utmärkta temporala och rumsliga profiler för de förstärkta pulserna. Kombinera detta koncept med CPA håller lov för att generera picosecond pulser med hundratals millijoules energi och hundratalsAv watt med medelkraft 19 , 20 .
Syftet med detta arbete är att demonstrera en nyckelfärdig Yb: YAG tunna disk regenerativ förstärkare med enastående daglig prestanda som en lämplig källa för pumpning av OPCPAs 21 . För att uppnå detta mål utnyttjar denna studie en Yb: YAG-tunnskiva-oscillator 22 med flera mikrolier av pulsenergi för att förstärka förstärkaren för att minimera den ackumulerade olinjära fasen under amplifieringsprocessen. Detta protokoll tillhandahåller receptet för att bygga och driva lasersystemet, vilket beskrivs på annat håll 21 . Detaljer om komponentimplementerings- och kontrollprogramvara presenteras, och systemets inriktningsprocess beskrivs.
Protocol
Varning: Var försiktig med alla säkerhetsbestämmelser som är relevanta för lasrar innan du använder denna utrustning. Undvik exponering av ögon eller hud för direkt eller spridda laserstrålar. Använd lämpliga skyddsglasögon i hela processen.
Figur 1 : Schematisk layout av Yb: YAG thin-disk regenerativ förstärkare. (A) Yb: YAG tunn-disk Kerr-lins modlåst oscillatorn. Oscillatorns 13 m linjära hålighet består av en 13% transmissionsutgångskopplare, tre högdispersionsspeglar med GDD på -3000 fs 2 , 1 mm safir Kerr-medium och en hård hårdåpa av koppar. En pulsplockare, innehållande en 25 mm tjock BBO-kristall, används för att minska repetitionshastigheten till 5 kHz. ( B ) CPA. Första blocket: Pulsuppställningsinställningen innehållerG två antiparallella guldgitter (1,740 linjer / mm), där fröpulserna sträcker sig temporärt till ungefär 2 ns. Andra blocket: den regenerativa förstärkaren, där fröpulsen är begränsad i förstärkarehålan för amplifiering när högspänningen hos Pockels-cellen, som innehåller en BBO-kristall med en tjocklek av 20 mm, appliceras. Tredje block: Pulskompressorn innehåller två parallella dielektriska gitter (1,740 linjer / mm), där de förstärkta pulserna temporärt komprimeras till 1 ps. Denna siffra har modifierats från Fattahi et al. , Med tillstånd från referens 21 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| Komponent | ROC | Distans |
| (mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17.000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tabell 1: Oscillatorns kavitetsdesign. ROC: krökningsradie, OC: utgångskoppling, TD: tunndisk, M: spegel, BP: Brewster-platta, EM: ändspegel.
Figur 2 : Oscillatorkavitetsdesign. Beräknad lägesradie på hålighetskomponenterna. OC: utgångskopplare, TD: tunndisk, M: spegel, BP: Brewster plaTe, EM: ändspegel. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| Komponent | ROC | Distans |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tabell 2: Kavitetsdesign av den regenerativa förstärkaren. ROC: krökningsradie, EM: end mirRor, PC: Pockels cell, M: spegel, TD: tunndisk.
Figur 3 : Regenerativ förstärkarehålighetsdesign. Beräknad lägesradie på hålighetskomponenterna. EM: slutspegel, PC: Pockels cell, M: spegel, TD: tunndisk. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
1. Oscillator
- Slå på kylvattnet för oscillatorn ( Figur 1a ).
- Slå på kylkylarna för att svalna pumpdioderna, tunna skivhuvudet och brödskivan. Ställ in temperaturen på båda kylarna till 20 ° C.
- Slå på strömförsörjningen för pumpdiodenheten (se materialet , nr 1) och klicka på "OUT"PUT ON / OFF "-knappen.
ANMÄRKNING: En laserhålighetssimuleringsprogramvara (se Materialetiket , nr 113) användes för att simulera och designa oscillatorns och regenerativförstärkarehålan (Tabell 1 och Tabell 2, Figur 2 och Figur 3 ) 23 . - Pumpa tunnskivan (se Materialetabell nr 14) via den kopplade fibern vid en våglängd på 940 nm genom att ställa in "strömbrytaren" på strömförsörjningen till 26,2 A, motsvarande 210 W-utgången, till Starta lasningen i oscillatorn i kontinuerlig våg (CW) -läge.
- För att observera utgångsspektret för CW-läget, anslut en fiber till spektrometern och placera den före pulsväljaren efter att ha använt en lämplig dämpning.
- I spektrometerprogramvaran, välj fliken "Spektrometer" och klicka sedan på "Reccan Devices."
- Högerklicka på spektrometernamnetOch välj "Spectrum Graph."
- Klicka på knappen "Acceptera" i fältet "Välj mål".
- När du har blockerat laserstrålen klickar du på knappen "Butik mörk spektrum" på verktygsfältet och klickar på "Scope Minus Dark" -knappen för att subtrahera bakgrundsspektret.
- Lossa laserstrålen för att observera spektret.
- Observera effekten av CW-läget på effektmätaren före pulsväljaren.
- För att använda oscillatorn i pulserat läge och för att initiera lägeslåsning, stör högreflektivitetsspegeln inuti laserkaviteten (på ett översättningsstadium) genom att mekaniskt trycka scenen från baksidan Figur 1a ).
OBS: Högreflektivitetsspeglar med hög skada tröskel användes i oscillatorns och regenerativförstärkarehålan (se Materialetabell nr 24 och 28). - Observera spektrumet och uteffekten hos den pulserande mOde före pulsplockaren med användning av en spektrometer respektive en effektmätare.
OBS: Oscillatorutgången har 25 W medell effekt vid en våglängd av 1 030 nm, en 11 MHz repetitionshastighet och en 4 nm spektral bandbredd (FWHM). Om oscillatorns optimering inte behövs, hoppa över steg 1.9-1.14. - Något öka strömmen på strömförsörjningen tills en CW-spik visas i spektret mätt av spektrometern.
- Rikta in den hårda bländaren i oscillatorn (se Figur 1a ) genom att ställa in mikrometerskruvarna vertikalt och horisontellt för att maximera CW-spetsen.
- Observera att pumpstrålprofilens uttömning på tunnskivan är obalanserad.
- Kör skivkameraprogram och välj "Svartvitt" i fönstret "Välj läge".
- Klicka på knappen "Öppna kamera" på verktygsfältet för att observera strålpunkten på tunnskivan.
- Ställ in piezo-linjära ställdon på ändspegeln (Motorreglage) genom att trycka på knappen "+" eller "-" på den vertikala eller horisontella motorn från handkontrollen för att justera denna uttömning till mitten av pumpstrålprofilen.
- Något minska strömmen på strömförsörjningen tills CW-spetsen försvinner i spektret.
- Upprepa steg i 1.9-1.13 tills ett spektrum och en utgångseffekt som motsvarar de erhållna referensnivåerna uppnås (se det uppmätta spektrumet i Figur 4a (röd kurva) vid 25 W med genomsnittlig effekt).
- För att observera utgångspulståget och bestämma puls-till-pulsstabiliteten, anslut en snabb fotodiod till ett oscilloskop och placera det före pulsväljaren (efter lämplig dämpning).
- Välj en lämplig utlösningsnivå genom att ställa in "trigger level" -knappen på oscilloskopet för att stabilisera de upprepande vågformerna och observera utgångspulståget på oscilloskopskärmen.
- Från th E "Measure" -menyn, välj "Peak to Peak Amplitude" för att bestämma puls-till-pulsstabiliteten.
- Observera utsignalprofilen före pulsväljaren och bestämma de strålpekande fluktuationerna.
- Kör beam profiler programvara och klicka på "Go, start capture" knappen från verktygsfältet för att observera strålprofilen.
- Från verktygsfältet öppnar du "beam wander" -dialogrutan och klickar sedan på "Clear" -knappen för att starta en ny mätning av strålpunktsstabilitet.
OBS! Fluktuationer i strålen eller en förvrängd strålprofil (orsakad av optisk skada, strålklippning etc. ) kan försämra systemets stabilitet.
- Mät pulsens längd med hjälp av frekvensupplöst optisk gating baserat på andra harmoniska generationen (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Pulse Picker och Pulse Stretcher
Innehåll "> OBS! Var försiktig med alla relevanta elektriska säkerhetsbestämmelser innan du använder högspänning på pulsplockaren. Använd lämplig högspänningsisolering. Ta bort diagnosen från strålbanan innan du fortsätter med det här avsnittet. Och dess inställning är inte nödvändig, hoppa över steg 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 och 2.11.- Använd två speglar innan pulsuppställningsinställningen ställer in utgångsbalken från oscillatorn genom pulsväljarenheten (se materialtabell nr 5 och 7) och dess 25 mm tjocka beta-bariumborat (BBO) -kristall (se Materialet , nr 12) med hjälp av den infraröda betraktaren och laserkiktet ( figur 1a ).
- Kör pulsplockarprogrammet på oscillatorns dator.
- Observera omkopplingssignalen för pulsväljaren och pulståget hos oscillatorn på oscilloskopet (se steg 1.15) med hjälp av en snabbfotodiode.
- I pulsplockarprogrammet ställer du in fördröjningstiden (fördröjning A) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" för att synkronisera omkopplingssignalen och pulståget vid pulspekarens kristall.
- Ställ in omkopplingstidsfönstret (fördröjning B) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" för att välja en puls från pulståget.
- Ställ in den interna utlösningstiden (inhibera) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" till 200 μs för att välja en puls varje 5 kHz.
- Minska repetitionshastigheten för oscillatorn från 11 MHz till 5 kHz genom att växla pulspjälldrivrutins strömförsörjning till "på" för att applicera högspänning på kristallen.
- Välj de plockade pulserna från pulståget genom att använda en tunnfilmspolarizer (TFP) (se Materialetabell , nr. 31) efter pulsväljaren och dumpa de återstående pulserna i en stråldump.
- Förbättra kontrasten av de plockade pulserna genom att justera halvvågskivan (seE Materialetabellen , nr 32) före pulsväljaren.
- Minska laserpulsens toppkraft genom att passera de plockade pulserna genom sträckarinställningen för att sträcka pulserna i en varaktighet av 2 ns (se Figur 1a- b ).
- Använd två speglar efter pulsuppställningsinställningen för att justera de plockade pulserna genom sträckarinställningen, om så krävs.
ANMÄRKNING: Båraren innehåller två antiparallella guldgitter (se Materialbiblioteket nr 20 och 21) med en linjetäthet på 1,740 linjer / mm för att sträcka pulserna i en varaktighet av 2 ns för att undvika att skada optiken under förstärkningsprocessen I den regenerativa förstärkaren på grund av en hög toppintensitet. Dessa pulser används för att fröa den regenerativa förstärkaren, såsom beskrivs i nästa avsnitt ( Figur 1b , topp).
3. Regenerativ förstärkare
Varning; Var medveten om alltRelevanta elektriska säkerhetsbestämmelser innan högspänningen appliceras på Pockels-cellen. Använd lämplig högspänningsisolering. Ta bort diagnosen från strålbanan innan du fortsätter med det här avsnittet. Fröspulser levereras från Yr: YAG-tunnskivan Kerr-linslägeslåsad oscillator. Andra fröstrategier kan användas för att frö förstärkaren, såsom fiberförstärkare.
- Slå på kylvattnet för den regenerativa förstärkaren ( Figur 1b , mitten).
- Slå på kylkylarna för att svalna pumpdioderna, tunnskivan, laserhuvudet och Pockels-cellen. Ställ temperaturen på kylaggregaten till 28 ° C, 17 ° C och 18 ° C och aktivera sedan kopplingssystemet.
OBS: Felaktig frässtråle kan försämra förstärkarens stabilitet. Om det inte är nödvändigt att justera den regenerativa förstärkaren, hoppa över steg 3.3-3.13 och 3.25. - Slå på strömförsörjningen på pumpdioden (se Materiets tabellAls, nr 2) och klicka sedan på "OUTPUT ON / OFF" -knappen.
- Pumpa tunnskivan via den kopplade fibern med en våglängd på 940 nm genom att ställa in "strömbrytaren" på strömförsörjningen till tröskeln.
- Observera pumpens strålprofil på skivan med hjälp av skivkameran (se steg 1.11) och välj "Cirkel geometri" på "Draw" -menyn på skivkameraprogrammet för att markera strålens läge i kameraprogrammet.
- Minska strömtillförselströmmen till noll och klicka sedan på "OUTPUT ON / OFF" -knappen. Stäng av strömförsörjningen på pumpdioden.
- Använd två speglar före den regenerativa förstärkaren för att rikta utgående strålen från sträckaren (fröpulser) genom inkopplingsoptiken i regenerativförstärkaren för att nå den första ändspegeln (bakom Pockels-cellen). Använd strålprofilen, den infraröda betraktaren och laservisningskortet för att hjälpa till med detta.
- Stäng förstärkarehålan genom att vrida kvartgenErvågsplatta (se Materialetabellen , nr 33), bakom Pockels-cellen, vilket eliminerar laserstrålen inuti hålrummet.
- Ställ in de motordrivna rattarna i den första änden av spegeln genom att trycka på knappen "+" eller "-" på den vertikala eller horisontella motorn (förare 1) från handkontrollen för att rikta utkopplingsstrålen.
- Öppna förstärkarehålan genom att vrida kvartvågsplattan (bakom Pockels-cellen) tills maximal laserstråleintensitet uppnås inuti hålrummet. Blockera den reflekterade strålen från den andra ändspegeln.
- Observera strålprofilen på utsädespulserna på skivkameraprogrammet och överla strålen med markerad position genom att ställa in knopparna i en av spolarna i spjället före tunnskivan.
- Avblockera den reflekterade strålen och observera dess plats på diskkameraprogrammet.
- Ställ in de motordrivna knoppen i den andra ändspegeln genom att trycka på knappen "+" eller "-" för vertikal eller horisontellMotor (förare 2) på handkontrollen för att överlappa reflektionen med markerad position.
- Från Pockels celldator, kör Pockels cellprogram.
OBS! Om inställningen för Pockels-cellen inte krävs, hoppa över steg 3.15-3.18. - Observera Pockels cellens växlingssignal (se Materialetiket , nr 6 och 8) och fröpulserna på oscilloskopet (se steg 1.15) med hjälp av en snabb fotodiod ( Figur 1b , mitten).
- I Pockels-cellprogrammet ställer du in fördröjningstiden (fördröjning A) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" för att synkronisera bytet av Pockels-cellen och fröpulserna vid Pockels cellkristall.
- Ställ in kopplingstidfönstret (fördröjning B) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" för att begränsa en puls inuti kaviteten hos den regenerativa förstärkaren till 4 μs, vilket motsvarar 87 rundturer av pulsen.
- Ställ in den inre triggenR-tiden (hämma) från dialogrutan "Definiera fördröjningsparametrar" till "200 μs" för att begränsa frekvensen till en puls varje 5 kHz.
- Slå på Pockels celldrivrutins strömförsörjning för att applicera högspänningen på kristallen.
- Slå på strömförsörjningen på pumpdioden och klicka på "OUTPUT ON / OFF" -knappen.
- För att förstärka utsädespulserna i den regenerativa förstärkaren, pumpa tunnskivan genom att ställa in strömbrytaren på strömförsörjningen till 57,7 A, motsvarande 280 W.
OBS! Den förstärkta strålen separeras från fröstrålen genom kombinationen av en Faraday-rotator (se materialet , nr 19) och en TFP. Yb: YAG-oscillatorn är skyddad från den förstärkta strålens bakre reflektion av en isolator (se materialet , nr 18).
OBS: Håll Pockels cellens och pumpdioden i ovannämnda ordning för att undvika att skada optiken med Q-omkoppling. - Observera spektrum och utgångseffekt (se steg 1.5 och 1.6) före kompressorn.
OBS: Förstärkarutgången har 125 W medell effekt vid en våglängd på 1 030 nm, en 5 kHz repetitionshastighet och en 1 nm spektral bandbredd (FWHM). - Observera utgångspulståget före kompressorn på oscilloskopskärmen och bestäm puls-till-pulsstabiliteten med hjälp av en snabb fotodiod (se steg 1.15).
- Observera utsignalbalkprofilen före kompressorn och bestäm de strålpekande fluktuationerna (se steg 1.16).
- Finjustera motorväxlarna i den andra ändspegeln genom att trycka på knappen "+" eller "-" på den vertikala eller horisontella motorn (drivrutin 2) från handkontrollen för att förbättra regenerativförstärkarens funktion om så behövs.
- Karaktäriserar förstärkningsminskningseffekten.
- Tänk på förstärkningen för olika fröenerginivåer genom att justera fröenergin med neutraL-densitetsfilter.
- Ändra antalet rundturer för att få högsta utgångseffekt för en fast pumpeffekt på 300 W.
- Observera utgångsspektret för varje enskilt fall.
4. Pulskompressor, strålsträckning och stabiliseringssystem
OBS: Ta bort diagnosen från strålbanan innan du fortsätter med det här avsnittet. Om det inte är nödvändigt att justera kompressorn och strålstabilisatorn, hoppa över steg 4.3 och 4.6.
- Vrid halvvågsplattans motoriserade rotationsfäste (i utmatningsbanan) genom att trycka på knappen "+" eller "-" på motor A (drivrutin 5) från handkontrollen för att skicka några watt från förstärkarutgången Till kompressorn ( figur 1b , botten).
- Komprimera laserpulsen ner till 1 ps genom att ge den förstärkta strålen genom kompressorns inställning.
- Använd två speglar efter regenerativ förstärkare inställning för att rikta in förstärkarenD pulser genom kompressorns inställning, om det behövs.
ANMÄRKNING: Kompressorn innehåller två parallella dielektriska galler (se materialet , nr 22 och 23) med en linjedensitet på 1,740 linjer / mm. - Slå på strömförsörjningen på strålstabiliseringsenheten (se materialet , nr 98). Kör strålstabiliseringsprogrammet på strålstabiliseringsdatorn.
- Använd två speglar före detektoruppställningen av strålstabilisatorn för att inrikta nollordningens diffraktion från det första gallret i kompressorn till strålstabilisatordetektorerna.
- Tryck på "Regulering" -knappen på strålstabiliseringsprogrammet för att låsa laserstrålen för att undvika stråldrift efter kompressorn. Vrid den motordrivna halvvågsplattan igen för att överföra kompressorns fulla uteffekt genom kompressorn. Justera förstärkningen av strålstabiliseringsdetektorerna med hjälp av ett filter med neutral densitet.
- Karaktäriserar tiden för komprimerad pPulser som använder SHG-FROG 21 , 24 .
5. Pumpkälla för OPCPA-systemet
OBS: Ta bort diagnosen från strålbanan innan du fortsätter med det här avsnittet.
- Från OPCPA-datorn kör du balkprofilens program.
- Kollimera och justera laserstrålens storlek efter kompressorn, med hjälp av ett lämpligt teleskop för att nå toppintensiteten på 80 GW / cm 2 . Använd strålprofilen, infrarödvisaren och laserkassakortet.
OBS! En 1,5 mm tjock BBO-kristall valdes för SHG baserat på simuleringsresultaten som gjordes på SISYFOS-koden 25 ( Simulation System for Optical Science). - Styr den grundläggande strålen (1,030 nm) genom en icke-linjär kristall (1,5 mm tjock BBO, se materialet , nr 54) för att generera den andra harmoniska (SH) vid 515 nm.
- Separera SH strålen från unconveRted fundamental beam genom att placera en harmonisk separator vid 45 o (se Materialet , nr 56) efter kristallen.
OBS: SH-strålen reflekteras från den harmoniska separatorn, medan den oföränderliga grundläggande strålen överförs genom. - Optimera fasens anpassningsvinkel för SH genom att justera kristallfästets ratt för att nå SH (70%, som motsvarar 70 W), med den högsta konverteringseffektiviteten.
- Observera kraften hos SH och de oföränderliga grundläggande strålarna på effektmätarna (se steg 1.6).
- Observera den gaussiska balkprofilen för SH och de oföränderliga grundläggande strålarna (se steg 1.16).
- Karaktäriserar SH-pulsernas temporala form med hjälp av korrelationsfrekvensupplöst optisk gating (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
Oscillatorn levererar 350 fs, 2 μJ, 25-W pulser med 11 MHz repetitionshastighet, med en puls-till-pulsstabilitet på 1% (rms) och strålpekationsfluktuationer på mindre än 0,6% över 1 timmars mätning ( Figur 4 ).
Figur 4 : Yb: YAG-tunnskiva, Kerr-objektivslåst oscillator. ( A ) Spektrumet (rött), den hämtade temporala intensitetsprofilen (blå) och den rumsliga profilen (insatsen) för oscillatorpulserna. ( B ) Oscillatorns mätning och hämtning av SHG-FROG-spektrografen. Denna siffra har modifierats från Fattahi et al. , Med tillstånd från referens 21 .> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Fröpulserna amplifieras i den regenerativa förstärkaren till 125 W medan de pumpas med en CW-fiberkopplad diod vid en våglängd av 940 nm vid 280 W, vilket motsvarar en optisk-optisk effektivitet på 47%. Puls-till-pulsstabiliteten hos förstärkaren är mindre än 1% och förstärkaren uppvisar utmärkt långsiktig stabilitet efter 10 timmars kontinuerlig drift. Den förstärkta strålen har en utmärkt rumslig profil, med en M 2 av ett (M 2 x = 1,08 och M 2 y = 1,07) och en utmärkt temporal profil efter kompression till en ps (vid FWHM) (Figur 5).
Figur 5 : Karakterisering av den regenerativa förstärkarenUtgång och förstärkningsminskande effekt. ( A ) Stabiliteten hos den regenerativa förstärkarens genomsnittliga effekt efter 10 timmars kontinuerlig drift. Inset: ( a-1 ) Normaliserad effekt till dess medelvärde i ett tidsfönster på 0,5 h; ( A-2 ) Utgångsstrålprofilen för den regenerativa förstärkaren. ( B ) Förstärkningsutgångsspektrum (grönt) och den hämtade temporala intensiteten (blå) hos laserpulserna vid 100 W genomsnittlig effekt efter gitterkompressorn. ( C ) Frösenergi kontra spektral bandbredd (FWHM) för förstärkarutgången och de nödvändiga runda utlösningarna för samma utgående medelvärde vid 300 W pumpkraft. Denna siffra har modifierats från Fattahi et al. , Med tillstånd från referens 21 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
25 . Två olika kristaller med följande parametrar beaktades: 1) ett typ I, 6 mm tjockt litiumtriborat (LBO), med en fas-matchningsvinkel av 13,7 ° och en olinjär koefficient på 0,819 pm / V och 2) a Typ-I, 3 mm tjock BBO med en fas-matchningsvinkel på 23,4 ° och en olinjär koefficient på 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, pulserna 20-mJ vid 1030 nm och en toppintensitet av 100 GW / cm 2 ansågs som ingång av simuleringen. Simuleringsresultaten visade att BBO-prestanda var överlägsen den för LBO för SHG ( Figur 6 ).
Figur 6 : Andra harmoniska generationen. (A) Simulerad SHG eneRgy för en 6 mm tjock LBO-kristall och en 3 mm tjock BBO-kristall. ( B ) Experimentell SHG-effektivitet kontra inmatningspumpens toppintensitet i en 1,5 mm tjock BBO-kristall med användning av 0,5 mJ (svart) och 20 mJ (grön) av förstärkarutgången. ( C ) Den hämtade spektralintensiteten och ( d ) gruppfördröjningen av XFROG-mätningar för olika SHG-effektiviteter motsvarande punkterna A, B och C i (b). Denna siffra har modifierats från Fattahi et al. , Med tillstånd från referens 21 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Discussion
Oscillatorns vridmomentoperation uppnås genom optimal värmebehandling av de olika komponenterna i lasern. Oscillatorns utgång är reproducerbar dagligen, utan behov av extra justering eller optimering. Dessutom uppfyller puls-till-puls-energistabiliteten och den spatiala pekstabiliteten hos frölasern förutsättningarna för att uppnå den stabila driften av den regenerativa förstärkaren.
Andra lågenergiska frökällor, såsom fiberförstärkare, kan användas för att frö förstärkaren. I denna studie användes en KLM-oscillator med 2 μJ Yb: YAG för att hjälpa till med förstärkningen av den regenerativa förstärkaren genom att minska tillväxten av de ackumulerade olinjära faserna, eftersom det erforderliga antalet rundresor reduceras för högre inmatad fröenergi . Dessutom påverkar den högre frösenergin förstärkningsprocessen och minskar förstärkningsminskningen. Den uppmätta spektralbandbredden hos den amplifierade pulsenEs för olika fröerergier vid en fast pumpkraft visas i figur 5c . Förstärkt spektral bandbredd minskar för lägre fröenergier på grund av förstärkning av förstärkningen. För 10 pJ fröenergi fungerar lasern under perioden fördubbling, och det går inte att nå en stabil drift, även genom att öka antalet rundresor. Förutom noggrann optimering av kylsystemen och diodernas strömförsörjning spelar regenerativförstärkarens funktion vid mättnad en viktig roll i förstärkarens uppnådda stabilitet.
Den grundläggande eller andra övertonen hos lasern kan användas för att pumpa ett OPCPA-system. För SHG jämfördes prestationerna hos en LBO och en BBO-kristall, eftersom de erbjuder en hög, icke-linjär koefficient och skada tröskel, trots den större rumsliga avstängningen och den begränsade tillgängliga bländaren vid BBO. Eftersom den olinjära koefficienten för BBO är nästan dubbelt så stor som för LBO, är en kortare kristall sufTillräcklig för att nå mättnadsgränsen för SHG ( figur 6a ). Därför är BBO det lämpligare valet, eftersom den ackumulerade olinjära fasen är mindre 28 .
Pulsperioden för SH-pulserna karakteriseras experimentellt vid olika omvandlingseffektiviteter. Det observerades att vid hög omvandlingseffektivitet breddas SHG-spektret och en spektralfas med högre ordning visas ( Figur 6 ). Därför väljas fall B, med omvandlingseffektiviteten på 70%, där SH och de oföränderliga grundläggande strålarna upprätthåller utmärkt kvalitet.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Vi skulle vilja tacka prof. Ferenc Krausz för diskussionerna och Najd Altwaijry för hennes stöd för att slutföra manuskriptet. Detta arbete har finansierats av Center for Advanced Laser Applications (CALA).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electrooptics | |||
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Dilas Diodenlaser GmbH | M1F8H12-940.5-500C-IS11.34 | |
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Laserline GmbH | LDM1000-500 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 15-100 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 35-45 | |
| Pulse Picker's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pockels Cell's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pulse Picker's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Pockels Cell's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Delay Generator PCI | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_SG08p | |
| Splitter Box | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Resonant Preamplifier | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_P03 | |
| Pulse Picker's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Pockels Cell's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optics | |||
| Thin-disk | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Thin-disk Head | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Fiber | Frank Optic Products GmbH | N/A, customized | |
| Fiber Objective | Edmund Optics GmbH | N/A, customized | |
| Faraday Isolator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.12231 | |
| Faraday Rotator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.22040 | |
| Stretcher's Grating 1 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 60*40*10 mm³ |
| Stretcher's Grating 2 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 350*190*50 mm³ |
| Compressor's Grating 1 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 40*40*16 mm³ |
| Compressor's Grating 2 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 300*100*50 mm³ |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 108060 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 108063 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-05474 | |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-05474 | |
| Thin Film Polarizer (1030nm), 2" | Layertec GmbH | 103930 | |
| Waveplate L/2 (1030nm) | Layertec GmbH | 106058 | Ø=25mm |
| Waveplate L/4 (1030nm) | Layertec GmbH | 106060 | Ø=25mm |
| AR Window (1030nm), wedge | Laseroptik GmbH | B-00183-01, S-00988 | Ø=38mm |
| Output Coupler, 1" (1030nm) | Layertec GmbH | N/A, customized | PR = 88 % |
| High-dispersion Mirror (1030nm) | UltraFast Innovations GmbH | N/A, customized | GDD = -3000 fs² |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 129784 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 042-0515-i0 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 110924 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 042-0515 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 045-0515-i0 | |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 045-0515 | |
| Thin Film Polarizer (515nm), 2" | Layertec GmbH | 112544 | |
| Waveplate L/2 (515nm) | Layertec GmbH | 112546 | Ø=25mm |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Kerr Medium | Meller Optics, Inc. | N/A, customized | Sapphire, 1mm |
| BBO Crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 7*7*1.5 mm³ |
| Harmonic Separator, 1", 45° | Eksma Optics | 042-5135 | |
| Harmonic Separator, 2", 45° | Eksma Optics | 045-5135 | |
| Silver Mirror, 1", flat | Thorlabs GmbH | PF10-03-P01 | |
| Silver Mirror, 1", curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| Filter - Absorptive Neutral Density | Thorlabs GmbH | NE##A | set |
| Filter - Reflective Neutral Density | Thorlabs GmbH | ND##A | set |
| Filter - Round Continuously Variable | Thorlabs GmbH | NDC-50C-4M | |
| Filter - Edgepass Filter (Longpass) | Thorlabs GmbH | FEL#### | set |
| Filter - Edgepass Filter (Shortpass) | Thorlabs GmbH | FES#### | set |
| Wedge | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optomechanics & Motion | |||
| Mirror Mount 1" (small) | S. Maier GmbH | S1M4-##-1” | |
| Mirror Mount 1" (large) | S. Maier GmbH | S3-## | |
| Mirror Mount 1" | TRUMPF Scientific Lasers | 1" adjustable | |
| Mirror Mount 2" | S. Maier GmbH | S4-## | |
| Mirror Mount 2" | TRUMPF Scientific Lasers | 2" adjustable | |
| Rotation Mount 1” | S. Maier GmbH | D25 | |
| Rotation Mount 1” | Thorlabs GmbH | RSP1/M | |
| Rotation Mount 2” | Thorlabs GmbH | RSP2/M | |
| Precision Rotation Stage | Newport Corporation | M-UTR120 | |
| Four-Axis Diffraction Grating Mount | Newport Corporation | DGM-1 | |
| Translation Stage | OptoSigma Corporation | TADC-651SR25-M6 | |
| Pockels cell stage | Newport Corporation | 9082-M | |
| Pockels Cell Holder | Home-made | N/A, customized | |
| Picomotor Controller/Driver Kit | Newport Corporation | 8742-12-KIT | |
| Picomotor Piezo Linear Actuators | Newport Corporation | 8301NF | |
| Picomotor Rotation Mount | Newport Corporation | 8401-M | |
| Hand Control Pad | Newport Corporation | 8758 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Light Analysis | |||
| Beam Profiling Camera | Ophir Optronics Solutions Ltd | SP620 | |
| Beam Profiling Camera | DataRay Inc. | WCD-UCD23 | |
| Photodiodes (solw) | Thorlabs GmbH | DET10A/M | |
| Photodiodes (fast) | Alphalas GmbH | UPD-200-SP | |
| Thin-disk Camera | Imaging Development Systems GmbH | UI-2220SE-M-GL | |
| Oscilloscope | Tektronix GmbH | DPO5204 | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy GmbH | SDA 760Zi-A | |
| Spectrometer | Avantes | AvaSpec-ULS3648-USB2 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C1769 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C3762 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D464 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D466 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | L50(150)A-PF-35 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | FL500A | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | 3A-P-V1 | |
| Power and Energy Meter | Ophir Optronics Solutions Ltd | Vega | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Systems | |||
| Laser Beam Stabilization System | TEM-Messtechnik GmbH | Aligna | |
| Laser M² Measuring System | Ophir Optronics Solutions Ltd | M²-200s | |
| FROG | Home-made | N/A, customized | |
| XFROG | Home-made | N/A, customized | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miscellaneous | |||
| Cooling Chiller | H.I.B Systemtechnik GmbH | 6HE-000800-W-W-R23-2-DI | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P201 | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P208 | |
| Laser Safety Goggles | Protect - Laserschutz GmbH | BGU 10-0165-G-20 | |
| Infra-red Viewer | FJW Optical Systems | 84499A | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC4 | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC5 | |
| Laser Viewing Card | Laser Components GmbH | LDT-1064 BG | |
| Flowmeter | KOBOLD Messring GmbH | DTK-1250G2C34P | |
| Pressure Gauge | KOBOLD Messring GmbH | EN 837-1 | |
| Temperature Sensor | KOBOLD Messring GmbH | TDA-15H* ***P3M | |
| WinLase Software | Dr. C. Horvath & Dr. F. Loesel | WinLase Version 2.1 pro. | Laser Cavity Software |
References
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. Optica. 1 (1), 45-63 (2014).
- Hentschel, M.
- Cavalieri, A. L. Intense 1.5-cycle near infrared laser waveforms and their use for the generation of ultra-broadband soft-x-ray harmonic continua. New J Phys. 9 (7), 242 (2007).
- Schweinberger, W. Waveform-controlled near-single-cycle milli-joule laser pulses generate sub-10 nm extreme ultraviolet continua. Opt Lett. 37, 3573-3575 (2012).
- Buck, A. Real-time observation of laser-driven electron acceleration. Nature Phys. 7 (7), 543-548 (2011).
- Zhong, H., Karpowicz, N., Zhang, X. C. Terahertz emission profile from laser-induced air plasma. Appl Phys Lett. 88 (26), 261103 (2006).
- Herrmann, D. Generation of sub-three-cycle, 16 TW light pulses by using noncollinear optical parametric chirped-pulse amplification. Opt Lett. 34 (16), 2459-2461 (2009).
- Adachi, S., et al. 1.5 mJ, 6.4 fs parametric chirped-pulse amplification system at 1 kHz. Opt Lett. 32 (17), 2487-2489 (2007).
- Adachi, S. 5-fs, multi-mJ, CEP-locked parametric chirped-pulse amplifier pumped by a 450-nm source at 1 kHz. Opt express. 16 (19), 14341-14352 (2008).
- Yin, Y. High-efficiency optical parametric chirped-pulse amplifier in BiB3O6 for generation of 3 mJ, two-cycle, carrier-envelope-phase-stable pulses at 1.7 µm. Opt Lett. 41 (6), 1142-1145 (2016).
- Deng, Y. Carrier-envelope-phase-stable, 1.2 mJ, 1.5 cycle laser pulses at 2.1 µm. Opt Lett. 37 (23), 4973-4975 (2012).
- Rothhardt, J., Demmler, S., Hädrich, S., Limpert, J., Tünnermann, A. Octave-spanning OPCPA system delivering CEP-stable few-cycle pulses and 22 W of average power at 1 MHz repetition rate. Opt express. 20 (10), 10870-10878 (2012).
- Heckl, O. H., et al. Ultrafast Thin-Disk Lasers.Ultrashort Pulse Laser Technology. Nolte, S., Schrempel, F., Dausinger, F. 195, Springer International Publishing. 93-115 (2016).
- Zapata, L. E., et al. Cryogenic Yb:YAG composite-thin-disk for high energy and average power amplifiers. Opt. Lett. 40 (11), 2610-2613 (2015).
- Schulz, M., et al. Yb:YAG Innoslab amplifier: efficient high repetition rate subpicosecond pumping system for optical parametric chirped pulse amplification. Opt Lett. 36 (13), 2456-2458 (2011).
- Roeser, F. Millijoule pulse energy high repetition rate femtosecond fiber chirped-pulse amplification system. Opt Lett. 32 (24), 3495-3497 (2007).
- Russbueldt, P., et al. 400 W Yb:YAG Innoslab fs-amplifier. Opt Express. 17 (15), 12230-12245 (2009).
- Baumgarten, C., et al. 0.5 kHz repetition rate picosecond laser. Opt Lett. 41 (14), 3339-3342 (2016).
- Klingebiel, S., et al. 220mJ, 1 kHz Picosecond Regenerative Thin-Disk Amplifier. European Conference on Lasers and Electro-Optics - European Quantum Electronics Conference , , Optical Society of America. Paper CA_10_1 (2015).
- Nubbemeyer, T., et al. 1 kW, 200 mJ picosecond thin-disk laser system. Opt Lett. 42 (7), 1381-1384 (2017).
- Fattahi, H., et al. High-power, 1-ps, all-Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier. Opt Lett. 41 (6), 1126-1129 (2016).
- Brons, J., et al. Energy scaling of Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillators. Opt Lett. 39 (22), 6442-6445 (2014).
- Horvath, C., Loesel, F. WinLase home. , http://www.winlasecom/index.html (2016).
- Trebino, R., et al. Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating. Rev Sci Instrum. 68 (9), 3277-3295 (1997).
- Arisholm, G. General numerical methods for simulating second-order nonlinear interactions in birefringent media. J Opt Soc Am B. 14 (10), 2543-2549 (1997).
- Zhang, D. X., Kong, Y. F., Zhang, J. Y. Optical parametric properties of 532-nm-pumped beta-barium-borate near the infrared absorption edge. Opt Commun. 184 (5), 485-491 (2000).
- Kato, K. Temperature-tuned 90o phase-matching properties of LiB3O5. IEEE J Quant Electron. 30 (12), 2950-2952 (1994).
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. , Springer International Publishing. (2016).
